水泥试样爆炸压裂模拟试验

程远方，寇永强，徐 鹏，李 蕾，张晓春

（中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061）

水泥试样爆炸压裂模拟试验

程远方，寇永强，徐 鹏，李 蕾，张晓春

（中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061）

对常压及施加围压条件下的爆炸压裂进行模拟试验，并对爆炸压裂后的试样取心进行渗透率测定，结合爆破理论对爆炸压裂效果进行分析。结果表明:爆炸压裂后试样整体渗透率提高明显，与常压下形成的裂纹相比，施加围压后裂纹多集中在炮眼附近，且生成的裂纹数量多，但长度较短，并存在不同程度的弯曲，在局部区域还出现了环形裂纹;爆炸压裂后渗透率变化基本符合爆破分区规则，在距离中心孔5～7倍炮眼尺寸的区域内，受宏、细观裂纹的共同影响渗透率增加明显，为原始渗透率的几十倍，中心孔向外，随传播距离加大渗透率增幅逐渐降低，在爆破远区试样受冲击作用不够明显，渗透率变化不大。

低渗透油气藏;爆炸压裂;模拟试验;围压;渗透率

我国低渗透油气藏资源丰富，低渗透油气田最基本的特点是地层的渗透能力差，通常需要增产改造才能维持正常生产［1-2］。爆炸压裂作为一种非常规压裂技术，是利用炸药爆炸产生的能量在井眼周围地层制造裂缝，从而达到改善低渗透储层物性、提高油气采收率的目的［3-4］。爆炸压裂作为一种潜在的开发低渗低丰度油气田的有效方法，其对井眼周围地层的作用是一个十分复杂的过程。截至目前，研究人员主要从理论和试验两个方面进行了相关研究，但由于试验设备所限，已开展的试验研究尚不十分完善，如:未考虑井壁围岩的真实应力状态，试验时未向试样施加围压;爆炸载荷加载方式与井眼内爆炸压裂存在差异等［5-8］。针对上述问题，考虑围压对爆炸压裂效果的影响，笔者采用自行研制开发的爆炸压裂模拟试验设备［9］，开展大尺寸（Φ80 cm ×80 cm）水泥试样在常压和施加围压条件下的爆炸压裂模拟试验，并对爆炸压裂作用后的水泥试样取心进行渗透率测定，通过对比、分析测试结果，研究爆炸压裂作用后水泥试样渗透率变化规律，为充分认识、评价爆炸压裂技术对低渗透储层物性的改造效果提供依据。

1 试验

为使试验条件与现场实际相吻合，试验时采取了以下相应措施:

（1）考虑到岩石类材料本身具有的非均质性和各向异性，以及试验测量数据分散、试样可重复性差等特点，选用了与岩石性质较为接近且可重复性好的水泥试样进行室内爆炸压裂试验。

（2）试验时对压力室内的试样施加一定围压，以模拟地下井壁围岩的复杂应力状态。

（3）采用Φ80 cm×80 cm大尺寸水泥试样模拟低渗透地层，试样上表面中心处留有炮眼，炮眼尺寸为Φ3 cm×40 cm，用于模拟现场井眼，试验时将炸药直接埋于炮眼内引爆，以充分模拟真实井眼内的爆炸压裂效果。

1.1 试验材料

为了使试样具有可重复性，试样采用普通硅酸盐水泥制备。将水泥、细砂、水按一定比例配成水泥浆，搅拌均匀后注入自制的模具成型，1 d后将模具退去并将其放入水中养护，养护28 d后即可进行爆炸压裂模拟试验。本试验制备的水泥试样为圆柱状结构。试验选用一定长度的导爆索进行爆炸试验，其药芯为单质锰炸药黑索金，药量为12～14 g/m，外径6 mm，爆速不低于6.5 km/s。为了使模拟试验更加接近于真实爆炸压裂过程，试验时将雷管和导爆索绑扎在一起，然后再将炸药布置于炮眼内，最后利用雷管将其引爆。

1.2 试验方案

在保持药量不变的情况下，考虑围压对爆炸压裂效果的影响，将试验分成两个批次进行，具体试验方案设计如下:试验时均选用双股导爆索，每股40 cm，捆绑后布置于水泥试样中心孔眼内;第一批次试验在常压下展开，试验所用水泥试样编号分别为M1和M2;第二批次试验在向水泥试样施加20 MPa围压后进行，所用水泥试样编号为M3和M4。试验完成后进行取心并测试其渗透率变化。

1.3 取心方法

根据爆炸压裂后裂纹分布规律，对爆炸压裂后的水泥试样进行取心。取心方法为:以炮眼为中心，以其中一条宏观裂纹为基准对水泥试样建立极坐标系，从该宏观裂纹开始，逆时针方向每隔60°沿径向取心7块（如果该径向方向存在宏观裂纹，则避开并紧挨该宏观裂纹进行取心），具体的取心位置如图1所示。取出岩心直径约25 mm，长度不小于50 mm，并对岩心进行处理，保证其两个端面平整、平行，且垂直于轴。每块水泥试样取心42块，4块水泥试样总共取心168块。取心完毕后对其进行渗透率测定。

图1 水泥试样取心位置示意图Fig.1 Sketch map of coring position in cement sample

2 试验结果描述及分析

2.1 试验结果描述

常压下对水泥试样M1，M2分别进行爆炸压裂试验，试验完毕后取出水泥试样进行观察。观察发现:水泥试样M1表面出现4条贯穿试样表面的宏观裂纹，且分布较为规整、对称，同时，宏观裂纹之间的区域还存在数条较短的裂纹，长短不一（图2（a））。水泥试样M2表面出现了3条宏观裂纹，此3条宏观裂纹并非对称分布，也并非沿直线扩展，其中一条从炮眼向外扩展的过程中出现了明显的分岔（图2（b））。

施加20 MPa围压的情况下，分别对水泥试样M3，M4进行爆炸压裂试验。试验结果显示，加压后，爆炸压裂形成的宏观裂缝呈现弯曲、不规则状态，裂纹分布较为集中，长短不一，普遍存在分岔现象。对裂缝集中区域进行拍照，结果见图3。

2.2 试验结果分析

按照裂纹扩展理论，裂纹扩展实质是多裂纹间起裂的竞争问题。在受到冲击载荷作用的一瞬间，多个初始裂纹中应力强度因子大的微裂纹最先得到扩展，随着裂纹的扩展，其应力强度因子又逐渐增加，这将导致已扩展的裂纹更容易得到扩展，同时数值模拟研究结果显示，在与已扩展裂纹成180°的位置容易产生应力集中，从而也会出现裂纹，于是就出现了这种情况:在宏观裂纹附近很少出现另外一条宏观裂纹，宏观裂纹多为对称出现，例如试样M1表面形成的裂纹。

同时，由损伤力学理论可知［10］，像岩石这样的天然介质，其内部一般都存在大量的地质缺陷，如微裂纹、微孔洞等，在外载荷作用下，这些大量存在的微缺陷将导致其结构劣化，进而引起裂纹扩展、岩石断裂。由于水泥试样在浇注过程中也会形成微缺陷、微损伤，而损伤又影响着介质的强度，因此在受到爆炸载荷作用时，损伤严重处将首先受到破坏，引起微裂纹扩展，进而形成宏观裂纹。这也是造成水泥试样表面裂纹分岔、呈现不规则状态的原因。

图2 水泥试样M1和M2爆炸压裂效果Fig.2 Explosive fracturing effect of cement samples M1 and M2

图3 水泥试样M3和M4爆炸压裂效果Fig.3 Explosive fracturing effect of cement samples M3 and M4

水泥试样M3，M4的试验结果表明围压对爆炸压裂效果有明显的影响。首先，常压与施加围压两种条件下所产生的宏观裂纹数量、长度均有差别;其次，裂纹分布区域有所不同，与常压下形成的裂纹相比，施加围压后裂纹多集中在炮眼附近;再次，裂纹形状也有较大差异，施加围压后生成的裂纹有不同程度的弯曲，而且局部区域还出现了环形裂纹。总之，爆炸压裂对井眼周围地层岩石的作用是一个非常复杂的过程，其压裂效果是多种因素共同作用的结果。

3 渗透率测定及变化规律

对爆炸压裂后的试样进行取心，并对岩心进行渗透率测定，结果如图4所示。

由图4可见:爆炸压裂后水泥试样整体渗透率提高明显，改造压裂效果显著;施加围压后，渗透率增幅略有减小;随距中心孔眼距离的增加，渗透率逐渐减小，在5～7倍炮眼尺寸以外，渗透率变化微弱，并最终趋于其原始测量值。

根据爆破理论［11］，炸药爆炸后对水泥试样的破坏包括爆炸冲击波与爆生气体两方面的作用。在炮眼附近区域，即爆破近区，水泥试样受到的冲击破坏能量最大，强大的爆炸冲击波在炮眼周围造成粉碎性破坏并制造大量初始裂纹。随着爆炸冲击能量的传播，初始裂纹得到扩展，故炮眼附近裂纹分布较为密集。同时，被压缩的水泥介质（质点）还获得一初始速度并沿径向移动，从而形成一个爆破空腔，爆破空腔受压实作用影响使该区域质点分布更为密集。压实作用对渗透率变化有一定影响，但由于本次试验药量较小，取心位置距中心孔壁有一定距离，故测试结果并未显示出压实作用对渗透率变化的影响。随着爆破能量的衰减，进入爆破中区后冲击波衰减成应力波，其破坏效果明显降低，水泥试样将不会产生压缩破坏，但仍可产生拉伸破坏形成径向裂纹。另外，由于爆生气体膨胀，水泥试样内部形成的初始裂纹得到扩展并逐渐形成宏观裂纹，在宏观、细观裂纹的共同影响下，该区域渗透率增幅明显。此后，随着传播距离的继续增加，爆炸能量继续衰减，裂纹产生、扩展的几率也越来越小，故水泥渗透率逐渐减小。在远离炮孔的位置，即爆破远区，应力波与爆生气体的能量已经衰减到很小，不足以再形成、扩展裂纹，故其对爆破远区渗透率影响不大。综上分析可知，试验所得渗透率变化规律基本符合爆破理论。

图4 水泥试样渗透率变化曲线Fig.4 Permeability variation curve of cement samples

4 结论

（1）围压对爆炸压裂后裂纹的形成、分布具有明显影响。与常压下形成的裂纹相比，施加围压后裂纹多集中在炮眼附近，数量多，但长度较短，存在不同程度的弯曲，而且局部区域还出现了环形裂纹。

（2）围压对试样渗透率变化规律也有影响。与常压下爆炸压裂后的岩心渗透率测量结果相比，施加围压后渗透率增幅略有减小。

（3）爆炸压裂后试样整体渗透率提高明显，改造效果显著，距离中心孔5～7倍炮眼尺寸的区域内渗透率增加明显，平均为原始渗透率的几十倍;由中心孔向外，渗透率增幅逐渐降低;在距离中心孔8～10倍炮眼尺寸的区域外，岩心渗透率变化不大。

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Explosive fracturing simulation test of cement samples

CHENG Yuan-fang，KOU Yong-qiang，XU Peng，LI Lei，ZHANG Xiao-chun

（College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Dongying257061，China）

The simulation tests of explosive fracturing were carried out under different confining pressure.The permeability of cores obtained from the testing samples was measured.And the explosive fracturing effect was analyzed combined with explosive theory.The results show that the sample permeability increases significantly.Compared with the results under atmospheric pressure，the cracks fractured under confining pressure are grouped at the area that close to the blast hole and the number of cracks was much more but the length of those cracks was shorter than those under atmospheric pressure，and there also appeared circular cracks.After the explosive fracturing，the permeability change generally consists with the blasting division rule，

because of the combining effects of macro cracks and micro cracks.The permeability of the area that is away from the blast hole 5-7 times of the size of the blast hole increases significantly and is several dozen times of the original permeability.Outward from blast hole to border of samples，increasing rates of permeability decreases gradually，and the area that is far away from blast hole named blasting far-zone is not affected significantly by explosive energy and the permeability changes little.

low permeability reservoir;explosive fracturing;simulation test;confining pressure;permeability

TE 357.3

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.012

1673-5005（2010）05-0069-04

2010－01－08

国家“863”计划课题（2007AA06Z208）

程远方（1964－），男（汉族），黑龙江集贤人，教授，博士，博士生导师，主要从事钻井工程、岩石力学和天然气水合物开采模拟研究。

（编辑 李志芬）